西北工業(yè)大學(xué)CAPP與制造工程軟件研究所 田錫天 耿俊浩 唐健鈞 趙東平

通過多年的信息化建設(shè)，我國飛機制造企業(yè)在CAD、CAPP、CAM、PDM、ERP等系統(tǒng)的建設(shè)方面已取得了實質(zhì)性的成果，如建立或?qū)嵤┝讼鄳?yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)或管理平臺，進行了較為深入的集成應(yīng)用，基本實現(xiàn)了產(chǎn)品、工藝、工裝的數(shù)字化設(shè)計及其過程和數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理，在飛機型號研制和生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用。

部分飛機制造企業(yè)在飛機裝配工藝的數(shù)字化設(shè)計與管理方面，逐步實現(xiàn)了從以二維為主向二維/三維相結(jié)合的模式轉(zhuǎn)變[1]，如PBOM/MBOM構(gòu)建、裝配順序規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃[2]和裝配工藝文件生成[3]等過程的三維化。目前三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計主要在一些飛機型號的數(shù)字化制造方面得到了一定的試應(yīng)用，但是還沒有得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用，如沒有將數(shù)字化裝配工藝設(shè)計和仿真結(jié)果作為指導(dǎo)生產(chǎn)的依據(jù)，數(shù)字化工藝設(shè)計結(jié)果的規(guī)范性以及現(xiàn)場發(fā)放方式仍然有待完善，與已有的協(xié)同平臺集成度也不高[4-5]等。這些是進一步提高飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理的質(zhì)量和效率，并將其推廣所必須解決的問題。隨著制造部門生產(chǎn)數(shù)字化的逐步開展和深入，以及三維產(chǎn)品模型的廣泛應(yīng)用，迅速提高飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計、仿真及管理的水平、質(zhì)量和效率是目前必須面對的當務(wù)之急。

飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理技術(shù)體系

裝配工藝設(shè)計與管理是連接飛機設(shè)計和制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它為飛機的研制和批量生產(chǎn)提供工藝準備，并貫穿于飛機組件、部件和總裝配生產(chǎn)的全過程。如圖1所示，飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理技術(shù)體系主要包括工程數(shù)據(jù)集成管理技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)字化工藝定義技術(shù)、三維數(shù)字化工藝設(shè)計與管理應(yīng)用模式、三維數(shù)字化工藝技術(shù)規(guī)范等研究內(nèi)容。

圖1 飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理技術(shù)體系

在飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理技術(shù)體系中，需要建立對應(yīng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括裝配工藝知識庫管理、基于三維產(chǎn)品模型的工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計、工藝仿真、工藝優(yōu)化、工藝指令發(fā)布等功能模塊。下面對支撐飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)功能的主要關(guān)鍵技術(shù)進行簡要闡述。

飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理關(guān)鍵技術(shù)

1 工程數(shù)據(jù)的集成管理

工程數(shù)據(jù)的集成是通過業(yè)務(wù)流程驅(qū)動，實現(xiàn)飛機單架次EBOM、PBOM、MBOM、產(chǎn)品數(shù)模、工裝數(shù)模、AO和仿真驗證結(jié)果數(shù)據(jù)等信息在系統(tǒng)之間的傳遞，其主要實現(xiàn)方式如下所述。

（1）EBOM、PBOM、產(chǎn)品數(shù)模、工裝數(shù)模的集成。

從工程數(shù)據(jù)集成管理平臺導(dǎo)出整機或指定部件單架次的EBOM結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品數(shù)模及相應(yīng)工裝信息，數(shù)據(jù)格式包括zip包、Excel等。導(dǎo)出的EBOM和產(chǎn)品數(shù)模將導(dǎo)入數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)進行使用。

（2）MBOM數(shù)據(jù)的集成。

MBOM分為頂層MBOM和底層MBOM。三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)提供頂層MBOM結(jié)構(gòu)導(dǎo)出功能，將三維工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)完成的頂層MBOM結(jié)構(gòu)文件以XML/Excel格式輸出，并導(dǎo)入工程數(shù)據(jù)集成管理平臺，在平臺上生成頂層MBOM結(jié)構(gòu)。在工程數(shù)據(jù)集成管理平臺上對頂層MBOM結(jié)構(gòu)進行管理，當發(fā)生更改后在工程數(shù)據(jù)集成管理平臺的MBOM編輯器中進行維護。底層MBOM結(jié)構(gòu)在AO中的零組件配套表完成審簽后由系統(tǒng)自動解析生成。

（3）AO和仿真驗證結(jié)果數(shù)據(jù)的集成。

通過三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)集成管理平臺的集成，使數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)新增三維AO輸出功能。把通過工藝設(shè)計和仿真驗證后的AO數(shù)據(jù)以zip包（包含工程數(shù)據(jù)集成管理平臺現(xiàn)有AO編輯器定義XML格式文件、具有工藝指導(dǎo)性的視圖及Process、SMG、AVI文件等）形式輸出。

2 頂層工藝規(guī)劃與管理

在三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)中進行頂層工藝規(guī)劃與管理的主要工作包括PBOM的構(gòu)建、頂層MBOM的構(gòu)建。

（1）PBOM的構(gòu)建。

PBOM是在EBOM的基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品的特征和企業(yè)的制造能力，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行重組，使之符合企業(yè)的生產(chǎn)能力，為生產(chǎn)組織、布局、車間分工提供依據(jù)，保證生產(chǎn)的可行性、均衡性和經(jīng)濟性。

飛機裝配頂層工藝規(guī)劃過程首先是對產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)生的EBOM進行重新組織形成PBOM，主要完成新建工藝組合件和劃分工藝路線。PBOM在繼承EBOM所有屬性（產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、三維模型屬性信息、3D鏈接路徑信息）的基礎(chǔ)上，增加了工藝路線、工藝組合件及備注等屬性。首先利用制造資源庫中每個單位所屬的設(shè)備了解單位的生產(chǎn)能力，并在三維環(huán)境中查看企業(yè)生產(chǎn)單元布局，綜合工藝專業(yè)類型和制造經(jīng)濟性構(gòu)建工藝組合件；然后根據(jù)零部件類型，確定裝配流程，結(jié)合各車間的業(yè)務(wù)分工和現(xiàn)有的任務(wù)量確定零部件需要流轉(zhuǎn)的車間，進行工藝路線的劃分。

（2）頂層MBOM的構(gòu)建。

頂層MBOM由多層次的裝配單元和AO編號構(gòu)成。裝配單元是裝配件的總稱，指在飛機裝配過程中，可以獨立組裝達到工程設(shè)計尺寸與技術(shù)要求，并作為進一步裝配的獨立組件、部件或最終整機的一組構(gòu)件。

頂層MBOM構(gòu)建的主要任務(wù)是根據(jù)產(chǎn)品的裝配約束關(guān)系進行裝配單元的劃分，采用從大部件劃分到小組件劃分的順序，將產(chǎn)品劃分為若干個裝配單元。裝配單元是工序劃分的基礎(chǔ)。在PBOM的基礎(chǔ)上，利用三維交互方式查看設(shè)計模型，分析裝配約束關(guān)系，劃分工藝分離面，將產(chǎn)品劃分為幾個大的裝配單元，即大部件劃分；再對大部件進行裝配約束關(guān)系分析，在每個裝配單元下確定并建立子裝配單元；劃分子裝配體，完成頂層MBOM的構(gòu)建。

3 三維裝配工藝設(shè)計與仿真

三維裝配工藝設(shè)計與仿真主要包括底層MBOM構(gòu)建、裝配順序規(guī)劃、工裝關(guān)聯(lián)以及裝配路徑規(guī)劃，并對工藝設(shè)計結(jié)果進行仿真和優(yōu)化，將工藝設(shè)計結(jié)果形成的工藝數(shù)據(jù)（XML/Excel格式）和仿真文件等發(fā)送到工程數(shù)據(jù)集成管理平臺進行統(tǒng)一管理。

（1）裝配工藝設(shè)計。

利用數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)的三維可視化環(huán)境，針對具體裝配單元包含的工序中零組件之間的裝配約束關(guān)系，進行裝配順序調(diào)整，并對裝配順序規(guī)劃的結(jié)果進行爆炸圖仿真，及時發(fā)現(xiàn)不正確或不合理的工藝過程，進而進行裝配順序調(diào)整和優(yōu)化，圖2為某部件的裝配工藝設(shè)計實例。然后以裝配單元為基礎(chǔ)建立AO件，并根據(jù)工位數(shù)量建立多個AO，定義AO代號和名稱，確定AO對應(yīng)裝配單元在裝配過程中所需要的裝配工序，完善裝配工序的基本信息，形成裝配工藝，并關(guān)聯(lián)各個裝配工序的配套零組件、實現(xiàn)的裝配約束、配套裝配資源等信息。

（2）裝配工藝優(yōu)化。

飛機零部件尺寸大，精度要求高，裝配過程需要協(xié)調(diào)的部位多，返工困難，為了避免在裝配過程中因重點部位的誤差疊加而導(dǎo)致裝配精度問題的出現(xiàn)，需要在裝配工藝準備階段對裝配精度進行預(yù)測，并對導(dǎo)致裝配精度超差的工藝過程進行優(yōu)化。直接影響產(chǎn)品裝配精度的主要因素包括零件加工誤差和產(chǎn)品裝配工藝，現(xiàn)有飛機裝配精度保證一般是通過測量和協(xié)調(diào)實現(xiàn)，不能在產(chǎn)品裝配生產(chǎn)前實現(xiàn)對產(chǎn)品精度的控制。在MBD技術(shù)和數(shù)字化裝配技術(shù)日趨成熟的情況下，為了縮短飛機研制周期，需要將精度控制技術(shù)融入裝配工藝準備過程，實現(xiàn)基于精度控制的飛機裝配工藝優(yōu)化，確保裝配工藝的可靠性。

圖2 飛機某部件裝配順序規(guī)劃實例

在裝配工藝正式發(fā)布前，對產(chǎn)品進行整體裝配精度預(yù)測（見圖3），提前評估各關(guān)鍵特性的工藝能力。由于整體裝配精度預(yù)測是在零件還未加工的情況下進行的，所以用位置公差（將尺寸公差轉(zhuǎn)化為參考某基準的位置公差）作為輸入?；诋a(chǎn)品精度MBD模型，利用多維方向偏差搜索算法得出偏差傳遞路徑，用蒙特卡洛算法將輸入的位置公差轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的偏差值（偏差值呈正態(tài)分布），利用上述的偏差值、傳遞路徑、敏感度等信息來預(yù)測關(guān)鍵特性是否超差。

圖3 飛機某部件關(guān)鍵特性精度預(yù)測結(jié)果

在裝配精度預(yù)測的基礎(chǔ)上，通過分析預(yù)測結(jié)果，確定并優(yōu)化導(dǎo)致精度超差的工藝因素，最終滿足整體裝配精度要求。如果預(yù)測出關(guān)鍵特性出現(xiàn)超差的情況，可以結(jié)合全要素的偏差貢獻度分析和實際生產(chǎn)能力評估，確定工藝優(yōu)化方案。如果該方案需要改變裝配順序、定位基準等工藝內(nèi)容，則需要再進行裝配工藝仿真。通過裝配工藝仿真后的工藝優(yōu)化方案為有效方案。

為了避免飛機裝配生產(chǎn)線生產(chǎn)瓶頸的出現(xiàn)，在裝配工藝設(shè)計與仿真階段，通過工序生產(chǎn)力平衡仿真，可以提前預(yù)測生產(chǎn)瓶頸和影響因素。通過對裝配工序進行優(yōu)化，可以在飛機裝配生產(chǎn)前實現(xiàn)裝配工序生產(chǎn)力平衡。對每個工序進行生產(chǎn)時間估算，評估每條工序任務(wù)鏈的生產(chǎn)時間，并進行生產(chǎn)力平衡，防止因部分工序任務(wù)鏈過長或過短導(dǎo)致生產(chǎn)瓶頸的出現(xiàn)，從而避免生產(chǎn)延誤或等待的情況發(fā)生。

4 三維裝配工藝指令的生成與管理

裝配工藝指令（AO）是用于規(guī)定生產(chǎn)管理單元的完整工藝流程和流程各環(huán)節(jié)的控制要求及記載生產(chǎn)過程中質(zhì)量數(shù)據(jù)的工藝文件。在工程數(shù)據(jù)集成管理平臺中，可獲取完整的AO信息以及工藝模板，并自動創(chuàng)建AO。當AO完成審簽流程后，系統(tǒng)將自動提取AO中的零組件配套表，將其關(guān)聯(lián)到頂層MBOM結(jié)構(gòu)中形成底層MBOM結(jié)構(gòu)。

（1）裝配工藝文件編制。

每個AO對應(yīng)一道工序，將工藝組件關(guān)聯(lián)至AO。在AO節(jié)點下創(chuàng)建工步，并添加工步屬性和描述信息。將工藝組件中的零組件劃分至工步，并根據(jù)要求將標準件和資源劃分至工步。

（2）三維工藝信息標注。

根據(jù)三維信息標注規(guī)則，將工藝信息標注在三維仿真動畫中，形成具有指導(dǎo)意義的工藝仿真文件。這些工藝信息描述關(guān)鍵的裝配尺寸與公差范圍、工裝和精度要求等生產(chǎn)必需的工藝約束信息，以及在裝配動畫中無法表達的指導(dǎo)信息。三維工藝信息標注的主要方式包括：顏色、可見性、文本、局部放大等。

（3）工藝指令發(fā)布。

通過數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)生成AO數(shù)據(jù)包（Process、SMG、AVI、圖片、XML格式的工藝文件等），將AO數(shù)據(jù)包傳到工程數(shù)據(jù)集成管理平臺，利用工程數(shù)據(jù)集成管理平臺的AO編輯器將XML格式的工藝文件生成為AO文件，其余數(shù)據(jù)作為附件關(guān)聯(lián)到AO，AO實例如圖4所示。

5 裝配工藝知識管理

飛機裝配工藝準備所涉及的專業(yè)范圍廣，包含的信息量大，是一種經(jīng)驗性非常強的知識密集型工作。在裝配工藝準備過程中，為了實現(xiàn)裝配工藝知識的共享和重用，提高設(shè)計質(zhì)量，縮短準備周期和避免設(shè)計資源的浪費，需要對裝配工藝知識進行建模并構(gòu)建知識庫。飛機裝配工藝知識是指在飛機裝配工藝準備和實際裝配生產(chǎn)過程中形成的，能夠用于指導(dǎo)飛機裝配工藝規(guī)劃與仿真的抽象的數(shù)據(jù)表達。

作為飛機三維工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，裝配工藝知識庫主要是存儲和管理裝配工藝實例、典型工藝模板和制造資源。首先構(gòu)建3個庫的分類結(jié)構(gòu)，定義相應(yīng)的屬性，再將裝配工藝實例、典型工藝模板和制造資源等分別放入對應(yīng)的分類中。將裝配工藝實例劃分為典型工藝、典型工序和典型工步，并存入裝配工藝實例庫。典型工藝模版庫存儲已結(jié)構(gòu)化、參數(shù)化的針對典型工藝特點的工藝知識，例如，根據(jù)工藝特點不同，將產(chǎn)品分為框類、壁板組件類、地板組件類、管路類和鍛件類等，并按照不同類型的裝配流程構(gòu)建裝配工藝模板，用于固化裝配過程、組織典型裝配模板數(shù)據(jù)。將飛機制造企業(yè)的生產(chǎn)資源以裝配環(huán)境模型、虛擬人體模型、設(shè)備模型、工裝模型、工具模型等形式進行三維建模，并賦予相應(yīng)的參數(shù)信息，形成飛機制造資源知識。

圖4 AO實例

結(jié)束語

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理是飛機數(shù)字化裝配過程的主要環(huán)節(jié)，也是飛機制造企業(yè)當前乃至未來一段時間之內(nèi)實現(xiàn)數(shù)字化制造的主要工作之一。通過對飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)的闡述，構(gòu)建了飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)，并與PDM系統(tǒng)進行了有效集成，實現(xiàn)了飛機裝配工藝的三維可視化AO編制和數(shù)據(jù)集成管理，為進一步提高飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理的水平、質(zhì)量和效率，實現(xiàn)工程應(yīng)用提供了一種可行的思路。

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